Raios X

Os raios X forman parte do espectro electromagnético, con lonxitudes de onda menores que a luz visíbel. Diferentes aplicacións usan diferentes partes do espectro dos raios X.

Unha radiografía feita por Röntgen

Os raios X son emisións electromagnéticas de natureza semellante á luz visíbel. A súa lonxitude de onda vai de 0,05 ángstrom ata centenas de ángstroms.

O espectro de lonxitudes de onda utilizábel é o correspondente a aproximadamente entre 5 picómetros e 10 nanómetros. A enerxía dos fotóns é da orde do keV (quilo electrón-volt), entre algúns keV e algunhas centenas de keV. A xeración desta enerxía electromagnética débese á transición de electróns nos átomos, ou da desaceleración de partículas cargadas.

Como toda enerxía electromagnética de natureza ondulatoria, os raios X sofren interferencia, polarización, refracción, difracción e reflexión, entre outros efectos. Aínda que de lonxitude de onda moito maior, a súa natureza electromagnética é idéntica á da luz.

Historia

A busca

O escocés James Clerk Maxwell, no século XIX, previu a existencia e a natureza das ondas electromagnéticas, que inclúen ata a luz visíbel.

En 1887, o alemán Heinrich Rudolf Hertz, produciu as primeiras ondas electromagnéticas artificiais (ondas de radio), usando consellos de Hermann von Helmholtz. Entre outras cousas, Helmholtz suxeriu que unha radiación electromagnética de alta frecuencia debería interactuar fortemente coa materia, á semellanza das ondas sonoras nun instrumento de cordas. Suxeriu tamén que estas ondas poderían ser moi penetrantes.

Helmholtz chegou a indicar o instrumento adecuado para producir esas ondas penetrantes: a ampola de Crookes, chamada na época tubo de Crookes, onde eran xerados os misteriosos raios catódicos.

Moitos científicos en Europa comezaron a procurar ese tipo de radiación. Entre eles, o maior especialista en raios catódicos de Alemaña, Philipp Lenard.

A dificultade na época era que non se dispuña dun método de detección que mostrase se de feito existían tales radiacións.

O descubrimento

Foi Wilhelm Conrad Röntgen quen descubriu e bautizou os raios X, alén de facer a primeira radiografía da historia. Isto ocorreu cando Röntgen estudaba o fenómeno da luminescencia producida por raios catódicos nun tubo de Crookes. Este dispositivo, foi envolto cunha caixa de papel negro e gardado nunha cámara escura. Próximo á caixa, había un pedazo de papel recuberto de platinocianeto de bario.

Conrad Röntgen percibiu que, cando fornecía corrente eléctrica aos electróns do tubo, este, emitía unha radiación que velaba a chapa fotográfica, intrigado, resolveu intercalar entre o dispositivo e o papel fotográfico, corpos opacos á luz visíbel. Desta forma obtivo probas de que varios materiais opacos á luz diminuían, mais non eliminaban a emisión desta estraña irradiación inducida polo raio de luz invisíbel, entón descoñecido.

Isto indicaba que a enerxía atravesaba facilmente os obxectos, e se comportaba como a luz visíbel. Despois de exhaustivas experiencias con obxectos inanimados, Röntgen resolveu pedir á súa esposa pór a man entre o dispositivo e o papel fotográfico. A foto revelou a estrutura ósea interna da man humana, con todas as súas formacións óseas, foi a primeira imaxe de raios X, nome dado polo científico á súa descuberta o 8 de novembro de 1895.

Características

Produción

Esquema dun tubo de raios X.

O dispositivo que xera os raios X chámase de tubo de Coolidge. Da mesma forma que unha válvula termiónica, este compoñente é un tubo oco e evacuado, aínda posúe un cátodo incandescente que xera un fluxo de electróns de alta enerxía. Estes aceléranse por unha grande diferenza de potencial e atinxen ao ánodo.

O ánodo é oco e confeccionado en tungsteno. A razón deste tipo de construción é a xeración de calor polo proceso de creación dos raios X. Para non fundir, o dispositivo necesita de arrefriamento a través da circulación de aceite.

Ao acelerarse, os electróns gañan enerxía e direcciónanse contra un branco, ao atinxilo son bruscamente freados perdendo unha parte da enerxía adquirida durante a aceleración. O resultado das colisións e do freo é a enerxía transferida dos electróns aos átomos do elemento branco. Este aquécese bruscamente, pois en torno do 99% da enerxía do feixe electrónico disípase nel.

A brusca desaceleración dunha carga electrónica xera a emisión dun pulso de radiación electromagnética. A este efecto dáselle o nome de Bremsstrahlung, que significa radiación de freo.

As formas de colisión do feixe electrónico no branco danse en diferentes niveis enerxéticos debido ás variacións nas colisións ocorridas. Como existen varias formas posíbeis de colisión debidas á angulación da traxectoria, o electrón non chega a perder a totalidade da enerxía adquirida nun único choque, ocorrendo entón a xeración dun amplo espectro de radiación nunha gama de frecuencias bastante longa, ou en diversas lonxitudes de onda. Estas dependen da enerxía inicial do feixe electrónico incidente. Este é o motivo polo cal existe a necesidade de millares de voltios de potencial de aceleración para a produción dos raios X.

Detección

A detección dos raios X pode facerse de diversas maneiras, a principal é a impresión de chapas fotográficas que permite o uso medicinal e industrial a través das radiografías. Outras formas de detección son polo quecemento de elementos a base de chumbo, que xeran imaxes termográficas, o quecemento de láminas de chumbo para medir a súa intensidade, alén de elementos que posúen gases no seu interior a exemplo da válvula Geiger-Müller utilizada para a detección de radiación ionizante e radiación non ionizante.

Usos

Medicina

Radiografía de pulmón dunha muller mostrando unha hernia de hiato.

Na medicina os raios X utilízanse nas análises das condicións dos órganos internos, investigacións de fracturas, tratamento de tumores, cancro, doenzas óseas etc.

Con finalidades terapéuticas os raios X utilízanse cunha irradiación aproximada de cinco mil röntgens, sobre pequenas áreas do corpo, por pequeno espazo de tempo.

Exposición

A tolerancia do organismo humano á exposición aos raios X é de 0,1 röntgen por día no máximo en toda a superficie corpórea. A radiación dun röntgen produce en $1,938x10^{-3}$ gramos de ar, a liberación por ionización, dunha carga eléctrica de $3,33x10^{-3}$C.

No ser humano a exposición prolongada aos raios X poderá arrubiar a pel, crear ulceracións e dar lugar á aparición de ampolas. En casos máis graves de exposición poderá causar serias lesións canceríxenas, morte das células e leucemia.

Investigación de materiais

Na industria, os raios X utilízanse no exame de fracturas de pezas, condicións de fundición, alén doutros empregos relacionados. Nos laboratorios de análises físico-químicas os raios X teñen un amplo rango de utilización.

Natureza electromagnética

Os raios X propáganse á velocidade da luz, como calquera radiación electromagnética están suxeitos aos fenómenos de refracción, difracción, reflexión, polarización, interferencia e atenuación. A súa penetrancia nos materiais é relevante, pois todas as substancias son transparentes aos raios X en maior ou menor grao.

Nalgunhas substancias como compostos de calcio e platinocianeto de bario, os raios X xeran luminescencia. Esta radiación ioniza os gases por onde pasa. Igual que a luz visíbel, non se desvía pola acción de campos eléctricos ou magnéticos. Desprázase en liña recta, vela placas fotográficas, alén de descargar os obxectos cargados electricamente, calquera que sexa a polaridade.